Статья "Теплоизоляционный легковесный огнеупорный бетон"

Разработаны составы безусадочных вибролитых теплоизоляционных легковесных огнеупорных бетонов плотностью 1,0, 1,3, 1,5, 1,8 г/см³ с температурой применения не менее 1400°С. Исследованы структура и свойства состава бетона плотностью 1,3 г/см³.

Постоянное развитие технологических процессов в металлургии и других отраслях промышленности предъявляет новые требования к свойствам легковесных огнеупоров, в связи с чем возникает необходимость в новых, более совершенных огнеупорах с комплексом свойств, обеспечивающих сокращение энергетических, материальных, трудовых и временных затрат в производстве.

При общем снижении производства и потребления огнеупорных материалов наблюдается возрастание доли выпуска неформованных огнеупоров. Это обусловлено многочисленными преимуществами неформованных огнеупоров по сравнению со штучными; хорошими прочностными и термическими свойствами; возможностью регулирования состава бетона в зависимости от требуемых показателей; простотой изготовления конструкций на основе бетона; упрощением ремонтно-восстановительных работ и др. Из всех видов неформованных огнеупоров наибольшее распространение получили огнеупорные бетоны, как традиционные с высоким содержанием цемента, так и низкоцементные бетоны нового поколения.

При использовании теплоизоляционных огнеупоров в промышленных печах на 20-70 % снижается расход топлива, создается возможность существенного ускорения обжига в печах периодического действия и снижения толщины стен печей и сводов. Если теплоизолирующий эффект достигается за счет высокой пористости, то также снижается масса футеровки.

Актуальной является разработка составов легковесных бетонов, обладающих низкими плотностью и теплопроводностью, которые можно транспортировать в виде сухой смеси и формировать футеровку методом вибролитья непосредственно у потребителя.

Целью настоящей работы являлась разработка составов легковесных огнеупорных бетонов различной плотности на основе доступного и недорогого сырья. Основная концепция создания такого продукта заключалась в использовании легкого алюмосиликатного заполнителя, обладающего закрытой пористостью, что позволило бы использовать минимальное количество воды затворения для получения вибротекучего состояния. Удаление воды из структуры бетона, как известно, приводит к разрыхлению и разупрочнению последней, поэтому задача состояла в минимизации величины водозатворения, в том числе и за счет использования дефлокулянтов и добавок ультрадисперсных порошков.

Образцы-балочки формовались способом вибрации в металлических разъемных формах. Формы с образцами выдерживались в течение 24 ч во влажной среде при комнатной температуре. Затем образцы извлекались из форм и выдерживались еще 48 ч в тех же условиях. В течение суток осуществлялась сушка при температуре 120 °С, обжиг проводился в лабораторной электрической печи с выдержкой при конечной температуре 5 ч. Для испытания на прочность при сжатии вырезался куб со стороной 65 мм. Открытая пористость и кажущаяся плотность определялась по ГОСТ 2409-95, теплопроводность по ГОСТ 12170-85.

Свойства легковесных бетонов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики легковесных бетонов

Марка бетона	ВГБТС-1,8	ВГБТС-1,3	ВГБТС-1,0
Химический состав, %:
Al₂O₃, не менее	73	60	56
SiO₂, не более	18	33	37
CaO, не более	3,0	3,2	3,5
Fe₂O₃, не более	1,0	1,1	1,0
R₂O, не более	1,0	0,6	0,7
Кажущаяся плотность, г/см³, не более	1,8	1,3	1,0
Предел прочности при сжатии, Н/мм² при температуре, °С
120	40,1	15,6	6,4
400	49,4	11,5	5,7
1000	54,2	19,9	8,0
1400	85,1	34,9	22,5
Линейная усадка после обжига при 1400 ºС с выдержкой 5 ч, %	0,36	0,35	0,3
Дополнительные линейные изменения при 1400 ºС и выдержке 2 ч, %	+0,5	+0,2	-0,5
Теплопроводность после обжига при 1400 ºС с выдержкой 5 ч при средней температуре 350±25ºС, Вт/(м·К)	0,92	0,60	0,40
Расход воды, л/100 кг	10-10,5	18-19	25-27
Температура применения, ºС	1400	1400	1400

Для бетона ВГБТС-1,3 было исследовано формирование структуры в процессе обжига. Зависимости линейного изменения образцов, открытой пористости, кажущейся плотности приведены на рис. 1, из которого следует, что заметные изменения в структуре бетона начинают происходить при температуре выше 1100°С. Небольшая усадка при температурах выше 1000 °С связана с появления жидкой фазы в матрице бетона и началом процесса спекания (рис. 1, а). Открытая пористость (рис. 1, б) значительно возрастает в то время, когда кажущаяся плотность остается практически на том же уровне, при обжиге выше 1100 °С.

Рис. 1 Зависимости линейных изменений (а), открытой пористости (б) и кажущейся плотности (в) бетона ВГБТС-1,3 от температуры обжига

Для выявления причин заметного увеличения открытой пористости были измерены значения кажущейся (ρ_каж), истинной (ρ_ист) плотности, открытой пористости (П_отк) и вычислены величины общей (П_общ) и закрытой (П_закр) пористости для температур обжига 1100 и 1400°С. Результаты определений приведены в табл. 2.

Таблица 2. Свойства легковесного бетона ВГБТС-1,3

Температура обжига, °С	П_отк, %	ρ_ист, г/см³	ρ_каж, г/см³	П_общ, %	П_закр, %
1100	31,9	2,98	1,16	61,1	29,2
1400	60,4	3,14	1,14	63,7	3,3

Увеличение открытой пористости легковесного бетона происходит за счет снижения доли закрытой пористости. Некоторое увеличение с температурой истинной плотности объясняется изменениями в фазовом составе бетона.

П_отк = 38,5 %, П_кан/П_отк = 57 %

П_отк = 50,1 %, П_кан/П_отк = 82 %

П_отк = 60,6 %, П_кан/П_отк = 80 %

Рис. 2 Распределение канальных пор по размеру в образцах бетона ВГБТС-1,3, обожженных при: а – 1200 °С, б – 1300 °С; в – 1400 °С

Распределение канальных пор по размеру в образцах легковесных бетонов, обожженных при температурах 1200, 1300 и 1400 °С представлено на рис. 2. Эффективный диаметр канальных пор рассчитывался по уравнению:

где D– диаметр капилляра; a - сила поверхностного натяжения смачивающей жидкости; Q - угол смачивания; h – высота поднятия жидкости в капилляре; r - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Из рис. 2 следует, что с повышением температуры обжига доля канальных пор увеличивается, а максимум содержания канальных пор по размеру смещается в сторону их увеличения. Такие изменения вызваны раскрытием закрытых пор, а также объединением (коалесценцией) мелких пор в более крупные в результате спекания.

Микроструктуры легковесного бетона, обожженного при температуре 1100, 1200 и 1400 °С, приведены на рис. 3.

При 1100 °С структура легковесного бетона состоит из ансамбля относительно равномерно распределенных сферических пор пористого заполнителя, пространство между которым заполнено матрицей. В матрице появляется небольшое количество стеклофазы. Взаимодействие материала стенок пористого заполнителя с матрицей отсутствует, однако в некоторых случаях наблюдается спекание компонентов шихты.

При 1200 °С наблюдается деформация сфер пористого заполнителя, искривление их внутренней поверхности; в некоторых случаях утолщение стенок и разрывы их сплошности (раскрытие). Отмечается коалесценция близко расположенных (соприкасающихся) сфер.

При 1400 °С бетон имеет высокопористую структуру с достаточно равномерным распределением пор, имеющих округлые очертания. В стекловатой фазе отмечаются игольчатые и призматические кристаллы муллита, образовавшегося в результате взаимодействия алюмосиликатного материала пористого заполнителя с высокоглиноземистой матрицей.

Рис. 3 Микроструктура легковесного бетона ВГБТС-1,3 (свет отраженный, ´ 200), обожженного при: а – 1100 °С (стрелки сверху вниз – стекло, пора, матрица); б – 1200 °С (стрелки сверху вниз –пора, матрица, стекло); в – 1400 °С (стрелки сверху вниз – матрица, стекло, пора,)

Рис. 4 Зависимость теплопроводности от температуры на горячей стороне образца бетона ВГБТС-1,3, обожженного при: ´ - 1100 °С; Δ – 1200 °С; ◊ - 1300 °С; ¨ - 1400 °С

Зависимость теплопроводности от температуры на горячей стороне образца для бетона ВГБТС-1,3, обожженного при разных температурах, приведена на рис. 4. Увеличение теплопроводности с повышением температуры обжига происходит вследствие изменения структуры, размера пор, характера пористости и увеличения вклада конвекции в теплопроводность [1]. К тому же при высокой температуре (>500°С) бетоны с крупными порами более теплопроводны, чем изделия с мелкими порами при одинаковой общей пористости [2].

Изготовленные из разработанных легковесных бетонов изделия обжигались в туннельной печи по режиму обжига динасовых изделий (нахождение в зоне обжига при 1420°С ~30 ч). Величины линейных изменений изделий после обжига при этом не превышали 1 %.

Легковесным бетоном ВГБТС-1,8 была футерована воронка и корпус камеры дожигания пиролизных летучих – составляющих дымовых газов цеха корундографитовых изделий на ОАО «Динур». При заливке отмечалась хорошая удобоукладываемость бетонной смеси. В процессе эксплуатации отмечено снижение температуры внешних стенок агрегатов по сравнению с шамотной футеровкой.

Предполагается, что разработанные теплоизоляционные легковесные бетоны будут использоваться при создании как рабочих, так и внутренних слоев футеровок нагревательных, термических печей, а также участков тепловых агрегатов, не подвергающихся воздействию расплавленных металлов и шлаков.

Заключение

Разработаны составы теплоизоляционных легковесных огнеупорных бетонов различной плотности. Бетоны отличаются повышенными прочностными характеристиками, отсутствием разупрочнения и линейных изменений в интервале 20-1400°С. Исследована структура бетонов в зависимости от температуры обжига. Показано, что с повышением температуры обжига происходит увеличение открытой пористости, размера канальных пор, теплопроводности. Бетон марки ВГБТС-1,8 был использован при модернизации теплового агрегата и показал хорошие результаты.